查尔姆斯理工大学Ergang Wang团队：揭示连接单元对寡聚型受体构象及高效聚合物太阳能电池的影响

第一作者：吴敬男

通讯作者：阳仁强*，于冬宏*，王二刚*

单位：江汉大学，奥尔堡大学，查尔姆斯理工大学

近年来，寡聚受体（OA）作为一种新型受体分子在聚合物太阳能电池（PSC）领域受到了越来越多的关注。与传统的聚合物受体（PA）相比，OA具备更精确的结构，并能消除批次间的差异性。此外，OA结合了小分子受体（SMA）和PA的优势，表现出优异的器件性能和稳定性，尤其是在形貌稳定性方面。然而，与SMA和PA的大量研究相比，OA的发展相对滞后，仍需要更多的研究来充分发挥其在光伏性能提升中的潜力。迄今为止，更多的研究集中于通过密度泛函理论（DFT）模拟分子平面性的探讨，而对OA中固有的构象复杂性关注较少。然而，不同单元间C-C单键的引入不可避免地会由于旋转而产生构象异构体，并对分子间的堆积行为、形貌特征、电荷传输特性以及整体器件性能产生影响。

近日，查尔姆斯理工大学的王二刚教授与奥尔堡大学的于冬宏、江汉大学的阳仁强教授合作，在国际知名期刊《Advanced Science》上发表了一篇题为“Unveiling the Influence of Linkers on Conformations of Oligomeric Acceptors for High-Performance Polymer Solar Cells”的研究文章。研究中，团队成功合成了两种二聚体型受体材料（V-DYIC和V-DYIC-4F），其中采用乙烯基作为烯类共轭连接单元，并通过氟化策略和19F NMR谱图表征，首次证实了S形构象的存在。

为了更好地理解分子构象对受体材料性能的影响，作者选用了研究团队已报道的O形DIBP3F-S材料（Angew. Chem. Int. Ed., 2023, 62, e202302888）作为对照。这种材料使用噻吩作为芳香类共轭连接单元。研究结果表明，乙烯链接的S形构象展现出更高的共面性和刚性结构，相比之下，O形对照材料呈现出螺旋形的结构。这种S形构象导致了受体材料层状有序性的提高，并有效减少了非辐射复合损失。最终，V-DYIC-4F在与高分子材料PM6匹配时，由于高效的载流子传输和抑制复合现象，器件表现出了18.10%的最高效率和更低的能量损失，这归因于其分子构象和末端基团氟化协同作用的结果。

此外，研究团队进一步解释了为什么这两种二聚体更倾向于采用S形构象而非O形构象。他们认为，这是由于O形构象中末端基团的邻近性导致的“构象锁定”效应在V-DYIC和V-DYIC-4F中不存在。O形构象的锁定效应缺失可以通过IC单元之间产生了更大的夹角：乙烯基连接的OA夹角在114°至119°之间，而DIBP3F-S的夹角则约为93°。因此，V-DYIC和V-DYIC-4F的O形构象中的较大末端基团间距使得它们无法形成构象锁定。至于S形构象的形成，研究团队推测其与Stille偶联反应过程中，双锡乙烯与单溴化Y单元之间的反应过程有关，末端氟原子与乙烯中的氢原子之间的强分子内F⋯H相互作用，进一步促进了S形构象的形成。该工作对于寡聚物构象的测定、及其对分子堆积的影响以及器件性能的研究具有重要的参考价值。

Unveiling the Influence of Linkers on Conformations of Oligomeric Acceptors for High-Performance Polymer Solar Cells